Qualitätssicherung von Software Prof. Dr. Holger Schlingloff Humboldt-Universität zu Berlin und Fraunhofer FIRST.

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1 Qualitätssicherung von Software Prof. Dr. Holger Schlingloff Humboldt-Universität zu Berlin und Fraunhofer FIRST

2 Folie 2 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Kapitel 2. Testverfahren 2.1 Testen im SW-Lebenszyklus 2.2 funktionsorientierter Test Modul- oder Komponententest Integrations- und Systemtests 2.3 strukturelle Tests, Überdeckungsmaße 2.4 Test spezieller Systemklassen Test objektorientierter Software o2.5 automatische Testfallgenerierung Test graphischer Oberflächen Test eingebetteter Realzeitsysteme 2.6 Testmanagement und –administration

3 Folie 3 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Lotos algebraische Spezifikationssprachen Syntax Abstrakter Datentyp Prozessalgebraische Verhaltensbeschreibung Beispiel: ADT Stack Problematik partieller Funktionen Semantik Termalgebren Gleichungen implizieren Äquivalenzpartitionierung initiale Semantik oder lose Semantik

4 Folie 4 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests weitere Möglichkeiten bedingte Gleichungen Parametrisierte Typen (abstrakte Klassen) Überladen von Funktionen (Polymorphie) z.B. Gleichheit ofsort zur Kennzeichnung des Typs Renaming und Subtypisierung type B is A renamedby sortnames... for...

5 Folie 5 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Full Lotos Erweiterung von ADTs um Verhaltensbeschreibungen Basiskomponente: Aktion interne Aktion: nach außen nicht sichtbar beobachtbare Aktion: Wert erscheint an einer Verbindungsstelle (gate) - g!e: Senden des Ausdrucks e über gate g - g?x:s[c]: Empfangen eines neuen Wertes vom Typ s für die Variable x am gate g unter der Bedingung c intuitiv: die Verbindungsstellen übertragen Werte der jeweiligen abstrakten Datentypen

6 Folie 6 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Prozesse Prozesse entsprechen in etwa den Methoden process P […] = … drei Hauptkompositionsmöglichkeiten Sequentialisierung: (P>>Q) oder (a; P) (a ist eine Aktion) Alternativen: ([c 1 ]-> P [] [c 2 ]-> Q] Parallelität: (P |[g 1,…,g n ]| Q) (P || Q) und (P ||| Q) als Abkürzungen für Synchronisation über alle oder gar kein gate Rekursive Prozessdefinitionen stop als reguläres Ende (keine Aktion ausführbar) exit als Rückkehr aus einer Prozessdefinition

7 Folie 7 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Kommunikation, Synchronisation, Koordination (P |[g]| Q) kann entweder eine Aktion von P oder Q ausführen, die g nicht betrifft, oder eine gemeinsame Aktion über gate g ausführen, falls diese sowohl für P als auch für Q ausführbar ist - Kommunikation: g!e und g?x:s[c] Übertragung des Wertes e nach x, falls c erfüllt ist - Synchronisation: g!e 1 und g!e 2 Falls e 1 = e 2 =e, so erscheint e an g - Koordination: g?x 1 :s[c 1 ] und g?x 2 :s[c 2 ] An g erscheint irgendein Wert e, der c 1 und c 2 erfüllt

8 Folie 8 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Semantik von Prozessen falls zwei parallele Prozesse sich nicht synchronisieren können, erfolgt deadlock g!5 |[g]| g?x:Nat [x>7] g 1 !5 |[g 1,g 2 ]| g 2 ?x:Nat Ereignis (event) (g,e): Ausführung einer Aktion g!e oder g?x mit x=e traces(P): Menge aller Folgen beobachtbarer Ereignisse eines Prozesses Trace-, Failure-, Divergence- Semantiken

9 Folie 9 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests weitere Sprachkonstrukte Parametrisierte Prozesse process P[g 1,g 2 ](p 1 :s 1, p 2 :s 2 ) : exit = … endproc Lokale Variablendefinition let name : sorte = expr in... Verallgemeinerte Sequenz, Alternative, Parallelität expr 1 >> accept pardef in expr 2 choice g in [a1, a2, a3] [ ] B [g] par g in [a1, a2, a3] || B [g] Disabling, Hiding, lokale Prozesse, … P [> Q, hide g in P, where process P = … Modulkonzept library importierte Datentypen endlib

10 Folie 10 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Beispiel für Prozesse process Boss [in] : noexit = choice item : Nat_Sort [] in!item >> Boss [in] endproc process ToDo [in, out] (liste: Stack) : noexit = (in?item; ToDo[in,out](push(item,liste)) [] [not empty(liste)] -> out!peek(liste); ToDo[in,out](pop(liste)) ) endproc process Slave [out] : noexit = out? x; i >> Slave [out] endproc Systemspezifikation: Boss |[in]| ToDo |[out]| Slave

11 Folie 11 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests Systemspezifikation specification S [a, b, c, d] : noexit library verwendete (vordefinierte) Datentypen endlib type BeispielTyp is sorts BeispielSorten opns BeispielOperationen: BeispielSorten - > BeispielSorten endtype behaviour (P [a, b, c] |[b]| Q [b, d]) where process P[a, b, c]... endproc process Q[b, d]... endproc endspec

12 Folie 12 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests ein größeres Beispiel (1) Quelle: M.-C. Gaudel, P. R. James. Testing Algebraic Data Types and Processes: A Unifying Theory. Formal Aspects of Computing, 10(5-6), (1999) Seite 436-451

13 Folie 13 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.4 ADT-Tests ein größeres Beispiel (2) Gegeben eine Implementierung Imp für diese Spezifikation Spec. Wie ist diese zu testen?

14 Folie 14 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Testerzeugung aus abstrakten Datentypen Gegeben ADT Spec= (Σ, Eq) (Σ = Signatur, Eq = Gleichungen oder Axiome) Implementierung Imp ist korrekt bzgl. Spec falls alle Gleichungen für alle Terme erfüllt sind Testfall: Einsetzung von Termen für Variablen Problem: Welche Terme auswählen? Testauswertung: Überprüfung der Gleichheit Problem: Nichtprimitive Datentypen? G. Bernot, M.-C. Gaudel, B. Marre: Software testing based on formal specifications: a theory and a tool. Software Engineering Journal Volume 6.6, pp. 387 - 405 (Nov. 1991)

15 Folie 15 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung vollständige Testsuiten Testsuite T: Menge von Grundformeln Annahme: Jedes Objekt ist termerzeugt Bsp.: s(s(s(z)))=p(s(z),s(s(z))) Testorakel O T (bzw. O: T {true,false}) sagt zu jedem Testfall, ob er erfüllt ist oder nicht (aus den Axiomen folgt oder nicht) z.B. s(s(s(z)))=p(s(z),s(s(z))) true im Allgemeinen unentscheidbares Problem! (partielle Fkt.) vollständige Testsuite (exhaustive test set): Menge von Testfällen, so dass gilt: Falls alle Testergebnisse positiv sind, so ist die Implementierung korrekt im Allgemeinen unendlich groß wie kommt man zu einer Approximation?

16 Folie 16 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Testhypothesen Testkontext TC: (T, O, H) Testsuite T (Menge von Grundformeln) Testorakel O T (bzw. O: T {true,false}) Testhypothese H über die Implementierung H O=T Correct(Imp,Spec) TC ist relativ vollständig (valid): Falls die Testhypothese erfüllt ist und alle Testergebnisse positiv ausfallen, so ist die Implementierung korrekt Minimale Testhypothese: leere Annahme Menge aller ableitbaren Grundformeln bzw. Menge aller Grundinstanzen von Gleichungen ist vollständige Testsuite Maximale Testhypothese: Imp ist korrekt leere Menge ist vollständige Testsuite

17 Folie 17 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Testsuiteverfeinerungen TC 2 verfeinert TC 1 (TC 2 <TC 1 ), falls TC 2 macht stärkere Annahmen als TC 1 H 2 H 1 TC 2 entdeckt mindestens so viele Fehler wie TC 1 failed(T 1,Imp) failed(T 2,Imp) TC 2 hat mehr erfolgreiche Tests als TC 1 success(T 2,Imp) success(T 1,Imp) Menge aller Grundterme mit leerer Annahme ist größte Testsuite in dieser Halbordnung Testentwicklung = Hinzufügen von Annahmen

18 Folie 18 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Regularitätsannahme Gegeben: Komplexitätsmaß auf Formeln Regularitätsannahme: Wenn eine Aussage A für alle Formeln bis zu einer bestimmten Größe gilt, so gilt A für alle Formeln erlaubt, die Testfälle auf solche kleiner als einzuschränken z.B. p(x,y)=p(y,x) für |x|<3, |y|<3

19 Folie 19 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Uniformitätsannahme Gegeben: Eigenschaft von Ausdrücken Uniformitätsannahme: Wenn eine Aussage für alle Formeln mit Ausdrücken dieser Eigenschaft gilt, so gilt sie für alle Formeln Verallgemeinerung des vorherigen Erlaubt, Testfälle auf bestimmte Variablenmuster einzuschränken Anwendung: Partitionierung von Wertebereichen Extremfall: Kollabieren eines ganzen Teilbereichs durch Auswahl eines einzelnen Repräsentanten

20 Folie 20 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Beobachtbarkeit Gleichheit primitiver Daten (bool, integer,…) ist beobachtbar Problem, die Gleichheit nichtprimitiver Datentypen zu entscheiden spezielle Gleichheitsfunktion in Imp einbauen? verlagert das Problem nur komponentenweiser Vergleich: Ersetze x=y durch C 1 (x)=C 1 (y), C 2 (x)=C 2 (y), … Beobachtbarer Kontext: Abbildung von nichtprimitivem in primitiven Datentyp Leibnitzsches Extensionalitätsprinzip: zwei Werte sind gleich, wenn sie sich in jedem beobachtbaren Kontext gleich verhalten

21 Folie 21 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Beobachtungsäquivalenzannahmen Problem: sehr viele mögliche Kontexte Lege Satz von Beobachtungskontexten für jeden nichtprimitiven Datentyp fest Beobachtungsäquivalenzannahme: Wenn eine Aussage für alle derart beobachtbaren Kontexte gilt, so gilt sie für alle Formeln spezielle Uniformitätsannahme Erlaubt Reduktion auf primitive Vergleiche Beispiel: oberstes und zweites Stackelement, Hash o.ä.

22 Folie 22 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Methodik der Verfeinerung Ausgehend von der größten Testsuite Regularitätshypothesen für die definierten Typen Uniformitätshypothesen für die importierten Typen Beobachtungsfunktionen und -äquivalenzhypothesen für die zusammengesetzten Typen Solange bis Testsuite endlich und Orakel vollständig definiert Toolunterstützung möglich

23 Folie 23 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung im Beispiel Uniformitätsannahme alle Variablen gleich ergibt 4 Testfälle Entfaltung von Pack ergibt neue Testfälle

24 Folie 24 H. Schlingloff, Software-Qualitätssicherung 8.12.2004 2.5 Testgenerierung Pause?